JP3761079B2 - Sensor using total reflection attenuation - Google Patents

Description

試料の誘電率ε_Ｓ が分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角θ_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。
【００１０】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。この漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られ、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１１】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明した従来の全反射減衰を利用したセンサーにおいては、プリズムと薄膜層との界面で反射した光ビームの強度を反射角毎に検出するために、前述したように光ビームの偏向に同期移動する光検出器や、広い受光面を有するＣＣＤエリアセンサ等を用いていた。
【００１３】
前者の場合は、全反射解消角の測定範囲に関して比較的大きなダイナミックレンジを確保できるが、その反面、機械的な駆動機構が必要になることから、試料分析を高速で行なうのは困難となっている。
【００１４】
一方後者の場合は、高速分析が可能である反面、ＣＣＤ等のエリアセンサの分解能、電荷蓄積のダイナミックレンジが低いことから、高い分析精度を確保するのは困難となっている。
【００１５】
このような事情に鑑み、本出願人は先に、第１の反射角範囲と第２の反射角範囲にある反射光をそれぞれ２分割フォトダイオード等によって別個に検出し、それら各反射光の光強度検出信号を比較した結果に基づいて全反射解消角θ_ＳＰを求める構成を提案した（特開平９−２９２３３４号公報参照）。
【００１６】
この構成によれば、高感度で全反射解消角θ_ＳＰを求めることができるが、この場合は、全反射解消角の変化範囲が２分割フォトダイオード等の受光範囲を超えて変化すると全反射解消角の測定は不可能になるので、ダイナミックレンジ（全反射解消角の測定範囲）はたかだか２〜３°程度とかなり小さい、という問題が認められる。
【００１７】
そのため、本出願人はさらに、種々の角度の反射光を複数の受光素子によって別個に検出し、各受光素子が出力する光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分した結果に基づいて全反射解消角θ_ＳＰを求める構成を提案した（特開平１１−３２６１９４号公報参照）。
【００１８】
上記構成の全反射減衰を利用したセンサーにおいて、誘電体ブロックと薄膜層との界面への光ビームの入射角θと、光検出手段の受光素子並設方向位置とは、一義的に対応している。一方、入射角θと上記界面からの反射光強度との関係は、前述した全反射解消角θ_ＳＰにおいて反射光強度が極小値を取るような関係となる。この反射光強度が極小値を取る受光素子並設方向位置は、光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分した微分値に基づいて求めることができる。すなわちこの微分値は、上記反射光強度が極小値を取る受光素子並設方向位置においてゼロとなる。したがって、上記微分値が最小値（信号強度変化開始付近）と最大値（信号強度変化終了付近）との間においてゼロとなる受光素子並設方向位置を求めることにより、その位置と一義的に対応している入射角θ、すなわち全反射解消角θ_ＳＰを求めることができる。
【００１９】
この構成によれば、各受光素子の並設方向は全反射解消角θ_ＳＰの変化方向であるから、この全反射解消角θ_ＳＰが大きく変化しても、受光素子の並設範囲（これは原理的にはいくらでも長くできる）内であればその角度θ_ＳＰを検出することができるため、全反射解消角θ_ＳＰを大きなダイナミックレンジで測定可能となる。
【００２０】
ところで、一般に全反射減衰を利用したセンサーにおいては、誘電体ブロックと薄膜層との界面での反射角が大きい光ビーム程、反射光強度が低下する傾向にある。しかしながら、特開平１１−３２６１９４号の構成の場合、光検出手段により検出された信号が全反射解消角θ_ＳＰを軸に非対称である場合、上記微分値の最小値と最大値との間が非線形となるため、正確に全反射解消角θ_ＳＰを求めることができない。
【００２１】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、上記特開平１１−３２６１９４号のような、複数の受光素子により検出された光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分した結果に基づいて全反射解消角θ_ＳＰを求める構成の全反射減衰を利用したセンサーにおいて、全反射解消角θ_ＳＰを精度良く測定することができる全反射減衰を利用したセンサーを提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の全反射減衰を利用したセンサーは、誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて、試料に接触させられる薄膜層と、光ビームを発生させる光源と、光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設された光検出手段と、この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分する微分手段と、この微分手段による微分値に基づいて、前記界面での反射光強度が極小値を取る反射角を求める演算手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、光検出手段により検出される光ビームに基づく非対称の信号の波形を略対称な波形に整形する信号波形整形手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明の第２の全反射減衰を利用したセンサーは、誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて、試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設された光検出手段と、この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分する微分手段と、この微分手段による微分値に基づいて、表面プラズモン共鳴に伴い前記界面での反射光強度が極小値を取る反射角を求める演算手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、光検出手段により検出される光ビームに基づく非対称の信号の波形を略対称な波形に整形する信号波形整形手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２４】
さらに、本発明の第３の全反射減衰を利用したセンサーは、誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設された光検出手段と、この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分する微分手段と、この微分手段による微分値に基づいて、光導波層での導波モードの励起に伴い前記界面での反射光強度が極小値を取る反射角を求める演算手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、光検出手段により検出される光ビームに基づく非対称の信号の波形を略対称な波形に整形する信号波形整形手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２５】
ここで、「略対称な波形に整形する。」とは、反射光強度が極小値となる位置を軸に略対称な波形に整形することを意味する。
【００２６】
上記第１から第３の全反射減衰を利用したセンサーにおいて、信号波形整形手段は、誘電体ブロックと光検出手段との間に設けられた、光ビームの、強度の大きい側の角度に反射された光ビームの強度を低減させる光学部材としてもよい。
【００２７】
この場合、光学部材は、強度の大きい側の角度に反射した光ビームに対する入射角を小さくした反射面を有する反射プリズム、もしくは強度の大きい側の角度に反射した光ビームに対する透過率を小さくした光学フィルタとすることが好ましい。なお、光学部材を反射プリズムとした場合は、反射面は平面に限らず、非球面としてもよい。
【００２８】
また、上記のような光学部材を用いず、信号波形整形手段を、光検出手段により検出された光ビームに基づいた信号の波形に基づいて、信号波形を整形する整形処理手段を備えたものとしてもよい。
【００２９】
この場合、整形処理手段は、各受光素子に接続された抵抗値の異なる抵抗としてもよいし、各受光素子に接続された増幅率の異なるアンプとしてもよいし、光検出手段により検出された光ビームに基づいた信号の波形に基づいて信号波形を整形する処理を行うソフトウェアとしてもよい。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の全反射減衰を利用したセンサーによれば、光検出手段により検出される光ビームに基づく非対称の信号の波形を反射光強度が極小値となる位置を軸に略対称な波形に整形する信号波形整形手段を設けたことにより、上記特開平１１−３２６１９４号のような、複数の受光素子により検出された光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分した結果に基づいて全反射解消角θ_ＳＰを求める構成の全反射減衰を利用したセンサーにおいて、上記微分値の最小値と最大値との間を略線形とすることができるため、全反射解消角θ_ＳＰを精度良く測定することが可能となる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の第１の実施形態の全反射減衰を利用したセンサーは、表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。
【００３２】
この表面プラズモンセンサーは、例えば概略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12とを有している。
【００３３】
誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等からなり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた形とされ、この嵩上げされた部分10ａは液体の試料11を貯える試料保持部として機能する。なお本例では、金属膜12の上にセンシング媒体30が固定されるが、このセンシング媒体30については後述する。
【００３４】
誘電体ブロック10は金属膜12とともに、使い捨ての測定チップを構成しており、例えばターンテーブル31に複数設けられたチップ保持孔31ａに１個ずつ嵌合固定される。誘電体ブロック10がこのようにターンテーブル31に固定された後、ターンテーブル31が一定角度ずつ間欠的に回動され、所定位置に停止した誘電体ブロック10に対して液体試料11が滴下され、該液体試料11が試料保持部10ａ内に保持される。その後さらにターンテーブル31が一定角度回動されると、誘電体ブロック10がこの図１に示した測定位置に送られ、そこで停止する。
【００３５】
本実施形態の表面プラズモンセンサーは、上記誘電体ブロック10に加えてさらに、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、レーザ光源14という）と、上記光ビーム13を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射させる光学系15と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ16と、この平行光化された光ビーム13のうち、強度が高い部分を低減させる光学フィルタ50と、光学フィルタ50を透過した光ビーム13を検出する光検出手段17と、光検出手段17に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等からなる信号処理部20と、この信号処理部20に接続された表示手段21とを備えている。
【００３６】
入射光学系15は、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を上記界面10ｂ上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されている。
【００３７】
光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより上述のように集光されるので、界面10ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。なお、上記光学系15は、光ビーム13を界面10ｂにデフォーカス状態で入射させるように構成されてもよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態検出の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。
【００３８】
なお光ビーム13は、界面10ｂに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御してもよい。
【００３９】
光学フィルタ50は、具体的には液晶やＮＤ（Neutral Density）フィルタ等の空間変調素子を用いる。一般に、界面10ｂで反射した光ビーム13のうち、反射角の小さい方は強度が高く、反射角の大きい方は強度が低いため、反射角の小さい方に対応する部分は透過率を低く、反射角の大きい方に対応する部分は透過率を高く設定することにより、光検出手段17により検出される光ビーム13に基づく信号の波形を反射光強度が極小となる位置を軸に略対称な反射光強度となるように調整する。
【００４０】
ここで、光学フィルタ50の代わりに、図２に示すような反射プリズム51を用いても同様の効果を得ることができる。以下、理由を説明する。この反射プリズム51の反射面51ａを、界面10ｂから小さい反射角で反射した光ビーム13に対しては入射角が小さく、界面10ｂから大きい反射角で反射した光ビーム13に対しては入射角が大きくなるように配置し、光検出手段17を、反射プリズム51の出射面に対向する位置に配置する。反射面51ａでは、界面10ｂから小さい反射角で反射した光ビーム13に対しては透過成分が多く、界面10ｂから大きい反射角で反射した光ビーム13に対しては透過成分が少なくなるため、上記光学フィルタ50と同様の効果を得ることができる。なお、反射面51ａは平面以外に、非球面状に形成してもよい。
【００４１】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーによる試料分析について説明する。
【００４２】
図１に示す通り、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束する。したがって光ビーム13は、界面10ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００４３】
界面10ｂで全反射した後、コリメーターレンズ16によって平行光化された光ビーム13は、光学フィルタ50を透過した後、光検出手段17により検出される。本例における光検出手段17は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイであり、図１の図示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。したがって、上記界面10ｂにおいて種々の反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光することになる。
【００４４】
図３は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……、これらのサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……の各出力が入力されるマルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジタル化して信号処理部20に入力するＡ／Ｄ変換器24、マルチプレクサ23とサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20からの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコントローラ26から構成されている。
【００４５】
上記フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……に入力される。この際、互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。
【００４６】
各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、それぞれサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器24に入力する。Ａ／Ｄ変換器24はこれらの出力をデジタル化して信号処理部20に入力する。
【００４７】
図４は、界面10ｂで全反射した光ビーム13の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム13の界面10ｂへの入射角θと上記光強度Ｉとの関係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとする。
【００４８】
界面10ｂにある特定の入射角θ_ＳＰで入射した光は、金属膜12と液体試料11との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθ_ＳＰが全反射解消角であり、この角度θ_ＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この反射光強度Ｉの低下は、図１にＤで示すように、反射光中の暗線として観察される。
【００４９】
また図４の（２）は、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応している。
【００５０】
そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（３）に示すようなものとなる。
【００５１】
信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の中から、全反射解消角θ_ＳＰに対応する微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図４の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その値を表示手段21に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。
【００５２】
以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補正処理を受けてから表示手段21に表示される。この微分値Ｉ’は、測定チップの金属膜12に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で変化すると、それに応じて上下する。したがって、この微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜12に接している物質の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べることができる。
【００５３】
特に本実施形態では金属膜12に、液体試料11の中の特定物質と結合するセンシング媒体30を固定しており、それらの結合状態に応じてセンシング媒体30の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、液体試料11およびセンシング媒体30の双方が、分析対象の試料となる。そのような特定物質とセンシング媒体30との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げられる。
【００５４】
以上の説明から明かなように本実施形態では、光検出手段17として複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイを用いているので、液体試料11に応じて図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形である程度大きく変化しても、暗線検出が可能である。つまり、このようなアレイ状の光検出手段17を用いることにより、測定のダイナミックレンジを大きく確保することができる。
【００５５】
なお、複数の差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……からなる差動アンプアレイ18を用いる代わりに１つの差動アンプを設け、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力をマルチプレクサで切り替えて、それらのうちの隣接する２つの出力をこの１つの差動アンプに順次入力するようにしても構わない。
【００５６】
なお、液体試料11の中の特定物質とセンシング媒体30との結合状態の変化の様子を時間経過とともに調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差ΔＩ’を求めて表示してもよい。
【００５７】
本実施の形態による表面プラズモンセンサーによれば、上記のような光学フィルタ50（もしくは反射プリズム51）を設けることにより、光検出手段17から出力される反射光強度に応じた信号が、反射光強度の極小値を軸に略対称となるため、受光素子の並設方向に関して微分した場合に、微分値の最小値（信号強度変化開始付近）と最大値（信号強度変化終了付近）との間が線形となるため、この間において微分値がゼロとなる点、すなわち暗線の位置を正確に求めることができる。
【００５８】
次に、図５を参照して本発明の第２の実施の形態について説明する。なおこの図５において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００５９】
本実施の形態の全反射減衰を利用したセンサーは、第１の実施の形態で説明した表面プラズモンセンサーにおいて、光学フィルタを用いて光ビームの強度を調整する代わりに、光検出手段により検出された光ビームに基づく信号の波形を整形する態様に変更したものである。
【００６０】
本実施の形態の表面プラズモンセンサーは、誘電体ブロック10と、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、レーザ光源14という）と、上記光ビーム13を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射させる光学系15と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ16と、この平行光化された光ビーム13を検出する光検出手段17と、光検出手段17に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等からなる信号処理部20と、信号処理部20に接続されたコントローラ52と、信号処理部20に接続された表示手段21とを備えている。
【００６１】
図６は、本実施の形態による表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。本実施の形態による表面プラズモンセンサーにおいて、信号処理部20は、予め測定を行って得られた信号に基づいて、反射光強度が極小値となる位置を軸に略対称な波形となるように、反射光強度が極小値となる位置を軸にして等距離にある左右の波形を比較し、低い方の波形に対応する差動アンプの増幅率を高くするようにコントローラ53に対して指示を行う。ここで、高い方の波形に対応する差動アンプの増幅率を下げるように指示してもよい。コントローラ52は、信号処理部20からの指示に基づいて、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の増幅率を変更する。
【００６２】
ここで、各差動アンプの増幅率を調整して信号波形を整形する代わりに、図７に示すように、可変抵抗を用いて波形を整形することも可能である。この場合は、光検出手段17と差動アンプアレイ18との間に可変抵抗アレイ53を設け、この可変抵抗アレイ53に、信号処理部20からの指示に基づいて可変抵抗アレイ53の動作を制御するコントローラ54を接続する。信号処理部20は、予め測定を行って得られた信号に基づいて、反射光強度が極小値となる位置を軸に略対称な波形となるように、反射光強度が極小値となる位置を軸にして等距離にある左右の波形を比較し、高い方の波形に対応する差動アンプに接続された可変抵抗の抵抗値を高くするようにコントローラ54に対して指示を行う。コントローラ54は、信号処理部20からの指示に基づいて、可変抵抗53ａ、53ｂ、53ｃ……の抵抗値を変更する。
【００６３】
また、上記以外にも、信号処理部20内において、ソフトウェアにより反射光強度が極小値となる位置を軸に略対称な波形となるように整形処理を行ってもよい。
【００６４】
本実施の形態による表面プラズモンセンサーによれば、上記のような差動アンプアレイ18を制御するコントローラ52（もしくは可変抵抗アレイ53およびこの可変抵抗アレイ53を制御するコントローラ54、またはソフトウェア）を設けて、光検出手段17により検出された反射光強度に応じた信号を、反射光強度の極小値を軸に略対称とすることにより、受光素子の並設方向に関して微分した場合に、微分値の最小値（信号強度変化開始付近）と最大値（信号強度変化終了付近）との間が線形となるため、この間において微分値がゼロとなる点、すなわち暗線の位置を正確に求めることができる。
【００６５】
なお、上述の第１および第２の実施の形態の表面プラズモンセンサーにおいては、一部構成を変更することにより漏洩モードセンサーとすることができる。以下、図面を用いて説明する。
【００６６】
図８は、漏洩モードセンサーの一例を示す図である。なおこの図８において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００６７】
この漏洩モードセンサーは、第１の実施の形態で説明した表面プラズモンセンサーを漏洩モードセンサーに変更したものであり、本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を用いるように構成されている。この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）にはクラッド層40が形成され、さらにその上には光導波層41が形成されている。
【００６８】
誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層40は、誘電体ブロック10よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層41は、クラッド層40よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層40の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で36.5ｎｍ、光導波層41の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００６９】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック10を通してクラッド層40に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム13が誘電体ブロック10とクラッド層40との界面10ｂで全反射するが、クラッド層40を透過して光導波層41に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層41を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層41に取り込まれるので、上記界面10ｂで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００７０】
光導波層41における導波光の波数は、該光導波層41の上の液体試料11の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、液体試料11の屈折率や、それに関連する液体試料11の特性を分析することができる。そして、上記特定入射角の近傍における反射光強度Ｉや、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微分値Ｉ’に基づいて液体試料11の特性を分析することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による表面プラズモンセンサーの一例の側面図
【図２】本発明の第１の実施の形態による表面プラズモンセンサーの一例の側面図
【図３】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図
【図４】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図
【図５】本発明の第２の実施の形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図６】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成の一例を示すブロック図
【図７】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成の一例を示すブロック図
【図８】本発明の漏洩モードセンサーの一例を示す側面図
【符号の説明】
10 誘電体ブロック
10ａ 誘電体ブロックの試料保持部
10ｂ 誘電体ブロックと金属膜との界面
11 試料
12 金属膜
13 光ビーム
14 半導体レーザ等
15 光学系
16 コリメーターレンズ
17 光検出手段（フォトダイオードアレイ）
17ａ、17ｂ、17ｃ…… フォトダイオード
18 差動アンプアレイ
18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ
19 ドライバ
20 信号処理部
21 表示手段
22ａ、22ｂ、22ｃ…… サンプルホールド回路
23 マルチプレクサ
24 Ａ／Ｄ変換器
25 駆動回路
26 コントローラ
30 センシング媒体
31 ターンテーブル
40 クラッド層
41 光導波層
50 光学フィルタ
51 反射プリズム
52、54 コントローラ
53 可変抵抗アレイ
53ａ、53ｂ、53ｃ…… 可変抵抗[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor using total reflection attenuation, such as a surface plasmon sensor that quantitatively analyzes a substance in a sample using generation of surface plasmons, and in particular, a dark line generated in measurement light due to total reflection attenuation. The present invention relates to a sensor using total reflection attenuation detected using a light detection means.
[0002]
[Prior art]
In the metal, free electrons collectively vibrate to generate a dense wave called a plasma wave. A quantized version of this dense wave generated on the metal surface is called surface plasmon.
[0003]
Conventionally, various surface plasmon sensors that quantitatively analyze a substance in a sample using a phenomenon in which the surface plasmon is excited by a light wave have been proposed. Among them, one that uses a system called a Kretschmann arrangement is particularly well known (see, for example, JP-A-6-167443).
[0004]
A surface plasmon sensor using the above system basically includes, for example, a dielectric block formed in a prism shape, a metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a sample, and a light source that generates a light beam. The light beam is incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the metal film, and total reflection attenuation due to surface plasmon resonance can occur. It comprises an optical system and light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the surface plasmon resonance state, that is, the state of total reflection attenuation.
[0005]
In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be incident on the interface by changing the incident angle, or a component incident on the light beam at various angles is included. As described above, a relatively thick light beam may be incident on the interface in a convergent light state or a divergent light state. In the former case, a light beam whose reflection angle changes according to the change in the incident angle of the incident light beam is detected by a small photodetector that moves in synchronization with the change in the reflection angle, or the direction in which the reflection angle changes Can be detected by an area sensor extending along the line. On the other hand, in the latter case, it can be detected by an area sensor extending in a direction in which each light beam reflected at various reflection angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon sensor having the above-described configuration, the specific incident angle θ is greater than the total reflection angle with respect to the metal film. _SP The evanescent wave having an electric field distribution is generated in the sample in contact with the metal film, and surface plasmons are excited at the interface between the metal film and the sample by the evanescent wave. When the wave number vector of the evanescent light is equal to the wave number of the surface plasmon and the wave number matching is established, both are in a resonance state and the energy of the light is transferred to the surface plasmon, so that the entire energy is transferred to the interface between the dielectric block and the metal film. The intensity of the reflected light decreases sharply. This decrease in light intensity is generally detected as a dark line by the light detection means.
[0007]
The resonance described above occurs only when the incident beam is p-polarized light. Therefore, it is necessary to set in advance so that the light beam is incident as p-polarized light.
[0008]
Incident angle θ at which this total reflection attenuation (ATR) occurs _SP From the surface plasmon wave number, the dielectric constant of the sample can be determined. In other words, the wave number of surface plasmon is K _SP , Ω is the angular frequency of the surface plasmon, c is the speed of light in vacuum, ε _m And ε _S Are the metal and the dielectric constant of the sample, respectively.
[0009]
[Expression 1]

Dielectric constant of sample ε _S Is known, the concentration of the specific substance in the sample can be known based on a predetermined calibration curve or the like, and eventually, the incident angle θ at which the reflected light intensity decreases. _SP By knowing, it is possible to obtain the characteristics related to the dielectric constant, that is, the refractive index of the sample.
[0010]
Moreover, as a similar sensor using total reflection attenuation (ATR), for example, a leak mode sensor described in pages 21 to 23 and pages 26 to 27 of “Spectroscopy” Vol. 47 No. 1 (1998) is also available. Are known. This leakage mode sensor is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and formed on the clad layer to be brought into contact with a sample. An optical waveguide layer, a light source that generates a light beam, and a total reflection condition at the interface between the dielectric block and the cladding layer with respect to the dielectric block. An optical system that is incident at various angles so that total reflection attenuation due to wave mode excitation can occur, and the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured to determine the excitation state of the waveguide mode, that is, the total reflection attenuation state. And a light detecting means for detecting.
[0011]
In the leaky mode sensor having the above configuration, when a light beam is incident on the cladding layer through the dielectric block at an incident angle greater than the total reflection angle, the light waveguide layer transmits a specific wave number after passing through the cladding layer. Only light having a specific incident angle is propagated in the guided mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface is sharply reduced. Since the wave number of guided light depends on the refractive index of the sample on the optical waveguide layer, the refractive index of the sample and its related sample characteristics are analyzed by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. be able to.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional sensor using the total reflection attenuation described above, in order to detect the intensity of the light beam reflected at the interface between the prism and the thin film layer for each reflection angle, as described above, the movement is synchronized with the deflection of the light beam. And a CCD area sensor having a wide light-receiving surface.
[0013]
In the former case, a relatively large dynamic range can be secured for the measurement range of the total reflection elimination angle, but on the other hand, since a mechanical drive mechanism is required, it is difficult to perform sample analysis at high speed. Yes.
[0014]
On the other hand, in the latter case, high-speed analysis is possible, but it is difficult to ensure high analysis accuracy because the resolution of an area sensor such as a CCD and the dynamic range of charge accumulation are low.
[0015]
In view of such circumstances, the applicant first detects the reflected light in the first reflection angle range and the second reflection angle range separately by a two-divided photodiode or the like, and the light of each reflected light. Total reflection elimination angle θ based on the result of comparison of intensity detection signals _SP Has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-292334).
[0016]
According to this configuration, the total reflection elimination angle θ is highly sensitive. _SP In this case, if the change range of the total reflection elimination angle changes beyond the light receiving range such as a two-part photodiode, the total reflection elimination angle cannot be measured, so the dynamic range (total reflection There is a problem that the measurement range of the cancellation angle is as small as about 2 to 3 °.
[0017]
Therefore, the applicant further detects reflected light at various angles separately by a plurality of light receiving elements, and based on the result of differentiating the light detection signal output from each light receiving element with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements. Anti-reflection angle θ _SP Has been proposed (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-326194).
[0018]
In the sensor using the total reflection attenuation having the above configuration, the incident angle θ of the light beam to the interface between the dielectric block and the thin film layer uniquely corresponds to the light receiving element side-by-side position of the light detecting means. Yes. On the other hand, the relationship between the incident angle θ and the intensity of reflected light from the interface is the total reflection elimination angle θ described above. _SP In such a relationship, the reflected light intensity takes a minimum value. The light receiving element side-by-side position in which the reflected light intensity takes a minimum value can be obtained based on a differential value obtained by differentiating the light detection signal output from each light receiving element of the light detection means with respect to the direction in which the light receiving elements are parallel. . That is, this differential value is zero at the light receiving element side-by-side position where the reflected light intensity takes a minimum value. Therefore, by obtaining the light receiving element side-by-side position where the differential value is zero between the minimum value (near the signal intensity change start) and the maximum value (near the signal intensity change end), it uniquely corresponds to that position. Incident angle θ, that is, total reflection elimination angle θ _SP Can be requested.
[0019]
According to this configuration, the parallel direction of the light receiving elements is the total reflection elimination angle θ _SP This total reflection elimination angle θ _SP If the angle is within the range where the light receiving elements are arranged in parallel (this can be made as long as possible in principle), the angle θ _SP Can be detected, the total reflection elimination angle θ _SP Can be measured with a large dynamic range.
[0020]
By the way, in a sensor using total reflection attenuation, the intensity of reflected light tends to decrease as the light beam has a larger reflection angle at the interface between the dielectric block and the thin film layer. However, in the case of the configuration of Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-326194, the signal detected by the light detection means is the total reflection elimination angle θ. _SP If the axis is asymmetric with respect to the axis, the difference between the minimum value and the maximum value of the differential value is non-linear. _SP Cannot be asked.
[0021]
The present invention has been made in view of the above problems, and is based on a result obtained by differentiating light detection signals detected by a plurality of light receiving elements with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged, such as Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-326194. Total reflection elimination angle θ _SP In the sensor using the total reflection attenuation of the structure for obtaining the total reflection elimination angle θ _SP An object of the present invention is to provide a sensor using total reflection attenuation capable of accurately measuring the above.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The sensor using the first total reflection attenuation according to the present invention includes a dielectric block, a thin film layer formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a sample, a light source for generating a light beam, and a light beam. The optical system is made to be incident on the dielectric block at various angles so that the total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the thin film layer, and a plurality of light receiving elements are arranged in parallel in a predetermined direction. Light detection means arranged in a direction in which different light receiving elements receive light beam components totally reflected at various reflection angles at the interface, and light detection signals output from the light receiving elements of the light detection means. A total reflection attenuation comprising: differentiation means for differentiating with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged; and calculation means for obtaining a reflection angle at which the reflected light intensity at the interface takes a minimum value based on a differential value by the differentiation means Profit In the sensor, it is characterized in that it comprises a signal waveform shaping means for shaping the waveform of the asymmetry of the signal based on the light beam detected by the light detecting means substantially symmetrical waveform.
[0023]
A sensor using the second total reflection attenuation of the present invention includes a dielectric block, a metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample, a light source that generates a light beam, An optical system in which a light beam is incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the metal film, and a plurality of light receiving elements are arranged in parallel in a predetermined direction. The light detection means arranged in such a direction that different light receiving elements receive the components of the light beam totally reflected at various reflection angles at the interface, and the light detection output from each light receiving element of the light detection means Differentiating means for differentiating the signals with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged, and a calculation means for obtaining a reflection angle at which the reflected light intensity at the interface takes a minimum value due to surface plasmon resonance based on the differential value by the differentiating means. And a signal waveform shaping means for shaping the waveform of the asymmetric signal based on the light beam detected by the light detection means into a substantially symmetric waveform. Is.
[0024]
Furthermore, a third sensor using total reflection attenuation according to the present invention includes a dielectric block, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and formed on the clad layer to be brought into contact with a sample. Optical waveguide layer, a light source that generates a light beam, and an optical system that causes the light beam to be incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the cladding layer. A plurality of light receiving elements arranged in parallel in a predetermined direction, and light detecting means arranged in such a direction that different light receiving elements receive the components of the light beam totally reflected at various reflection angles at the interface. The photodetection signal output from each light receiving element of the photodetecting means is differentiated with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged, and the waveguide mode is excited in the optical waveguide layer based on the differential value by the differentiating means. Accordingly, in the sensor using total reflection attenuation, comprising a calculation means for obtaining a reflection angle at which the reflected light intensity at the interface takes a minimum value, the waveform of the asymmetric signal based on the light beam detected by the light detection means is obtained. A signal waveform shaping means for shaping into a substantially symmetrical waveform is provided.
[0025]
Here, “shaping into a substantially symmetric waveform” means shaping into a substantially symmetric waveform around the position where the reflected light intensity becomes a minimum value.
[0026]
In the sensors using the first to third total reflection attenuations, the signal waveform shaping means is reflected at an angle on the higher intensity side of the light beam provided between the dielectric block and the light detection means. An optical member that reduces the intensity of the light beam may be used.
[0027]
In this case, the optical member is a reflecting prism having a reflecting surface with a small incident angle with respect to the light beam reflected at the angle on the higher intensity side, or an optical with reduced transmittance for the light beam reflected at the angle on the higher intensity side. A filter is preferred. When the optical member is a reflecting prism, the reflecting surface is not limited to a flat surface but may be an aspherical surface.
[0028]
Further, the signal waveform shaping means is provided with a shaping processing means for shaping the signal waveform based on the signal waveform based on the light beam detected by the light detection means without using the optical member as described above. Also good.
[0029]
In this case, the shaping processing unit may be a resistor having a different resistance value connected to each light receiving element, an amplifier having a different amplification factor connected to each light receiving element, or the light detected by the light detecting unit. Software that performs processing for shaping the signal waveform based on the waveform of the signal based on the beam may be used.
[0030]
【The invention's effect】
According to the sensor using the total reflection attenuation of the present invention, the waveform of the asymmetric signal based on the light beam detected by the light detection means is shaped into a substantially symmetric waveform around the position where the reflected light intensity becomes the minimum value. By providing the signal waveform shaping means, the total reflection elimination is performed based on the result obtained by differentiating the light detection signals detected by the plurality of light receiving elements with respect to the parallel arrangement direction of the light receiving elements as in the above-mentioned JP-A-11-326194. Angle θ _SP In the sensor using the total reflection attenuation having a configuration for obtaining the total reflection reduction angle θ, the difference between the minimum value and the maximum value of the differential value can be made substantially linear. _SP Can be measured with high accuracy.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The sensor using total reflection attenuation according to the first embodiment of the present invention is a surface plasmon sensor using surface plasmon resonance, and FIG. 1 shows a side shape of the surface plasmon sensor.
[0032]
The surface plasmon sensor includes, for example, a dielectric block 10 having a shape in which a part of a substantially quadrangular pyramid is cut off, and formed on one surface (the upper surface in the drawing) of the dielectric block 10, for example, gold, silver, And a metal film 12 made of copper, aluminum, or the like.
[0033]
The dielectric block 10 is made of, for example, a transparent resin, and has a raised shape around the portion where the metal film 12 is formed. The raised portion 10 a functions as a sample holding unit that stores the liquid sample 11. In this example, the sensing medium 30 is fixed on the metal film 12, and the sensing medium 30 will be described later.
[0034]
The dielectric block 10 constitutes a disposable measuring chip together with the metal film 12, and is fitted and fixed, for example, one by one into a plurality of chip holding holes 31a provided in the turntable 31. After the dielectric block 10 is fixed to the turntable 31 in this way, the turntable 31 is intermittently rotated by a fixed angle, and the liquid sample 11 is dropped on the dielectric block 10 stopped at a predetermined position, The liquid sample 11 is held in the sample holder 10a. Thereafter, when the turntable 31 is further rotated by a certain angle, the dielectric block 10 is sent to the measurement position shown in FIG. 1 and stops there.
[0035]
In addition to the dielectric block 10, the surface plasmon sensor of the present embodiment further includes a light source 14 (hereinafter referred to as a laser light source 14) composed of a semiconductor laser or the like that generates one light beam 13, and the light beam 13 An optical system 15 that passes through the dielectric block 10 and enters the interface 10b between the dielectric block 10 and the metal film 12 so as to obtain various incident angles, and a light beam 13 totally reflected by the interface 10b. A collimator lens 16 that collimates the light, an optical filter 50 that reduces the high intensity portion of the collimated light beam 13, and a light detection means that detects the light beam 13 that has passed through the optical filter 50. 17, a differential amplifier array 18 connected to the light detection means 17, a driver 19, a signal processing unit 20 including a computer system and the like, and a display means 21 connected to the signal processing unit 20. .
[0036]
The incident optical system 15 includes a collimator lens 15a that collimates the light beam 13 emitted from the laser light source 14 in a divergent light state, and a condensing lens that converges the collimated light beam 13 on the interface 10b. 15b.
[0037]
Since the light beam 13 is condensed by the condenser lens 15b as described above, it includes components that are incident on the interface 10b at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the light beam 13 is totally reflected at the interface 10b, and the reflected light beam 13 includes components reflected at various reflection angles. The optical system 15 may be configured to cause the light beam 13 to enter the interface 10b in a defocused state. By doing so, errors in surface plasmon resonance state detection are averaged, and measurement accuracy is improved.
[0038]
The light beam 13 is incident on the interface 10b as p-polarized light. In order to do so, the laser light source 14 may be disposed in advance so that the polarization direction thereof is a predetermined direction. In addition, the direction of polarization of the light beam 13 may be controlled with a wave plate.
[0039]
Specifically, the optical filter 50 uses a spatial modulation element such as a liquid crystal or an ND (Neutral Density) filter. In general, of the light beam 13 reflected at the interface 10b, the smaller the reflection angle, the higher the intensity, and the larger the reflection angle, the lower the intensity. Therefore, the portion corresponding to the smaller reflection angle has a low transmittance and is reflected. The portion corresponding to the larger angle is set to a high transmittance so that the waveform of the signal based on the light beam 13 detected by the light detection means 17 is reflected almost symmetrically about the position where the reflected light intensity is minimized. Adjust the light intensity.
[0040]
Here, the same effect can be obtained by using a reflecting prism 51 as shown in FIG. 2 instead of the optical filter 50. The reason will be described below. The reflection surface 51a of the reflecting prism 51 has a small incident angle with respect to the light beam 13 reflected from the interface 10b with a small reflection angle, and the incident angle with respect to the light beam 13 reflected with a large reflection angle from the interface 10b. The light detection means 17 is disposed at a position facing the emission surface of the reflecting prism 51. The reflection surface 51a has a large transmission component for the light beam 13 reflected at a small reflection angle from the interface 10b and a small transmission component for the light beam 13 reflected at a large reflection angle from the interface 10b. The same effect as that of the optical filter 50 can be obtained. The reflecting surface 51a may be formed in an aspherical shape other than a flat surface.
[0041]
Hereinafter, sample analysis by the surface plasmon sensor having the above-described configuration will be described.
[0042]
As shown in FIG. 1, the light beam 13 emitted from the laser light source 14 in a divergent light state is converged on the interface 10 b between the dielectric block 10 and the metal film 12 by the action of the optical system 15. Therefore, the light beam 13 includes components incident on the interface 10b at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the light beam 13 is totally reflected at the interface 10b, and the reflected light beam 13 includes components reflected at various reflection angles.
[0043]
After the total reflection at the interface 10b, the light beam 13 converted into parallel light by the collimator lens 16 passes through the optical filter 50 and is then detected by the light detection means 17. The light detection means 17 in this example is a photodiode array in which a plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are arranged in a line, and a light beam that has been collimated in the plane shown in FIG. The photodiodes are arranged so that the direction in which the photodiodes are juxtaposed is substantially perpendicular to the 13 traveling directions. Therefore, different photodiodes 17a, 17b, 17c,... Receive each component of the light beam 13 totally reflected at various reflection angles at the interface 10b.
[0044]
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the surface plasmon sensor. As shown in the figure, the driver 19 samples and holds the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Of the differential amplifier array 18, and these sample-hold circuits 22a, 22b. , 22c... Multiplexer 23 to which each output is input, A / D converter 24 that digitizes the output of multiplexer 23 and inputs it to signal processing unit 20, multiplexer 23 and sample hold circuits 22a, 22b, 22c. And a controller 26 that controls the operation of the drive circuit 25 based on an instruction from the signal processing unit 20.
[0045]
The outputs of the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are input to the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,. At this time, the outputs of two photodiodes adjacent to each other are input to a common differential amplifier. Therefore, it can be considered that the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Are obtained by differentiating the photodetection signals output from the plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,.
[0046]
The outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c... Are sampled and held at predetermined timings by the sample hold circuits 22a, 22b, 22c. The multiplexer 23 inputs the sampled and held outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Into the A / D converter 24 in a predetermined order. The A / D converter 24 digitizes these outputs and inputs them to the signal processing unit 20.
[0047]
FIG. 4 explains the relationship between the light intensity for each incident angle θ of the light beam 13 totally reflected at the interface 10b and the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. Here, it is assumed that the relationship between the incident angle θ of the light beam 13 on the interface 10b and the light intensity I is as shown in the graph of FIG.
[0048]
Specific incident angle θ at the interface 10b _SP Since the light incident on the surface excites surface plasmons at the interface between the metal film 12 and the liquid sample 11, the reflected light intensity I sharply decreases for this light. That is, θ _SP Is the total reflection elimination angle, and this angle θ _SP The reflected light intensity I takes a minimum value. This decrease in the reflected light intensity I is observed as a dark line in the reflected light, as indicated by D in FIG.
[0049]
(2) in FIG. 4 shows the direction in which the photodiodes 17a, 17b, 17c... Are arranged, and as described above, the positions of the photodiodes 17a, 17b, 17c. It uniquely corresponds to the incident angle θ.
[0050]
The relationship between the positions of the photodiodes 17a, 17b, 17c..., That is, the incident angle θ, and the output I ′ (differential value of the reflected light intensity I) of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. As shown in FIG.
[0051]
Based on the value of the differential value I ′ input from the A / D converter 24, the signal processing unit 20 selects the total reflection elimination angle θ from among the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. _SP Is selected (the differential amplifier 18d is the differential amplifier 18d in the example of FIG. 4), and a predetermined correction process is applied to the differential value I 'output from the differential value I' = 0. Then, the value is displayed on the display means 21. In some cases, there may be a differential amplifier that outputs a differential value I ′ = 0. In this case, the differential amplifier is naturally selected.
[0052]
Thereafter, every time a predetermined time elapses, the differential value I ′ output from the selected differential amplifier 18d is displayed on the display means 21 after receiving a predetermined correction process. This differential value I ′ changes when the dielectric constant of the substance in contact with the metal film 12 of the measuring chip, that is, the refractive index changes, and the curve shown in FIG. Move up and down accordingly. Therefore, by continuously measuring this differential value I ′ with the passage of time, it is possible to investigate a change in the refractive index of the substance in contact with the metal film 12, that is, a change in characteristics.
[0053]
In particular, in the present embodiment, the sensing medium 30 that binds to a specific substance in the liquid sample 11 is fixed to the metal film 12, and the refractive index of the sensing medium 30 changes according to the binding state, so that the above differentiation By continuing to measure the value I ′, it is possible to examine the state of change in the coupling state. That is, in this case, both the liquid sample 11 and the sensing medium 30 are samples to be analyzed. Examples of the combination of the specific substance and the sensing medium 30 include an antigen and an antibody.
[0054]
As is apparent from the above description, in this embodiment, a photodiode array in which a plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,... Accordingly, even if the curve shown in FIG. 4 (1) is changed to a certain extent by moving in the left-right direction, the dark line can be detected. That is, by using such an array-like light detection means 17, a large measurement dynamic range can be secured.
[0055]
Instead of using the differential amplifier array 18 composed of a plurality of differential amplifiers 18a, 18b, 18c..., One differential amplifier is provided, and the outputs of the photodiodes 17a, 17b, 17c. Of these, two adjacent outputs may be sequentially input to this one differential amplifier.
[0056]
In addition, in order to examine the change in the binding state between the specific substance in the liquid sample 11 and the sensing medium 30 over time, the differential value I ′ is obtained and displayed every time a predetermined time elapses. Alternatively, the difference ΔI ′ between the measured differential value I ′ (0) and the differential value I ′ (t) measured when a predetermined time has elapsed may be obtained and displayed.
[0057]
According to the surface plasmon sensor according to the present embodiment, by providing the optical filter 50 (or the reflecting prism 51) as described above, a signal corresponding to the reflected light intensity output from the light detecting means 17 is reflected light intensity. Since it is approximately symmetrical with respect to the minimum value, the difference between the minimum value (near the start of signal intensity change) and the maximum value (near the end of change of signal intensity) Since it is linear, the point where the differential value becomes zero during this period, that is, the position of the dark line can be accurately obtained.
[0058]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly necessary.
[0059]
The sensor using the total reflection attenuation of the present embodiment is detected by the light detection means in the surface plasmon sensor described in the first embodiment, instead of adjusting the intensity of the light beam using an optical filter. In this embodiment, the waveform of the signal based on the light beam is modified.
[0060]
The surface plasmon sensor according to the present embodiment includes a dielectric block 10, a light source 14 (hereinafter referred to as a laser light source 14) composed of a semiconductor laser or the like that generates one light beam 13, and the light beam 13 that is a dielectric block. 10, an optical system 15 that is incident on the interface 10b between the dielectric block 10 and the metal film 12 so as to obtain various incident angles, and a light beam 13 totally reflected by the interface 10b is collimated. A collimator lens 16 to be converted, a light detection means 17 for detecting the collimated light beam 13, a differential amplifier array 18 connected to the light detection means 17, a driver 19, and a computer system. A signal processing unit 20, a controller 52 connected to the signal processing unit 20, and a display means 21 connected to the signal processing unit 20 are provided.
[0061]
FIG. 6 is a block diagram showing an electrical configuration of the surface plasmon sensor according to the present embodiment. In the surface plasmon sensor according to the present embodiment, the signal processing unit 20 is based on a signal obtained by performing measurement in advance so that the reflected light intensity has a waveform that is substantially symmetrical about the position where the reflected light intensity becomes a minimum value. Compare the left and right waveforms that are equidistant from the position where the reflected light intensity becomes the minimum value, and instruct the controller 53 to increase the amplification factor of the differential amplifier corresponding to the lower waveform . Here, it may be instructed to lower the amplification factor of the differential amplifier corresponding to the higher waveform. The controller 52 changes the amplification factor of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c... Based on an instruction from the signal processing unit 20.
[0062]
Here, instead of adjusting the amplification factor of each differential amplifier and shaping the signal waveform, as shown in FIG. 7, it is also possible to shape the waveform using a variable resistor. In this case, a variable resistance array 53 is provided between the light detection means 17 and the differential amplifier array 18, and the operation of the variable resistance array 53 is controlled in the variable resistance array 53 based on an instruction from the signal processing unit 20. The controller 54 to be connected is connected. The signal processing unit 20 determines the position where the reflected light intensity becomes the minimum value based on the signal obtained by performing the measurement in advance so that the reflected light intensity has a waveform that is substantially symmetrical about the position where the reflected light intensity becomes the minimum value. The left and right waveforms that are equidistant on the axis are compared, and the controller 54 is instructed to increase the resistance value of the variable resistor connected to the differential amplifier corresponding to the higher waveform. The controller 54 changes the resistance values of the variable resistors 53a, 53b, 53c,... Based on an instruction from the signal processing unit 20.
[0063]
In addition to the above, in the signal processing unit 20, the shaping process may be performed by software so that the waveform has a substantially symmetric waveform about the position where the reflected light intensity becomes the minimum value.
[0064]
According to the surface plasmon sensor according to the present embodiment, the controller 52 (or the variable resistor array 53 and the controller 54 that controls the variable resistor array 53 or software) that controls the differential amplifier array 18 as described above is provided. When the signal corresponding to the reflected light intensity detected by the light detecting means 17 is differentiated with respect to the parallel direction of the light receiving elements by making the signal substantially symmetrical about the minimum value of the reflected light intensity, the minimum differential value is obtained. Since the value (near the signal intensity change start) and the maximum value (near the signal intensity change end) are linear, the point at which the differential value becomes zero, that is, the position of the dark line can be accurately obtained.
[0065]
In addition, in the surface plasmon sensor of the above-mentioned 1st and 2nd embodiment, it can be set as a leakage mode sensor by changing a part structure. Hereinafter, it demonstrates using drawing.
[0066]
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a leakage mode sensor. In FIG. 8, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly required.
[0067]
This leakage mode sensor is obtained by replacing the surface plasmon sensor described in the first embodiment with a leakage mode sensor, and is also configured to use the dielectric block 10 formed as a measurement chip in this example. A clad layer 40 is formed on one surface (upper surface in the figure) of the dielectric block 10, and an optical waveguide layer 41 is further formed thereon.
[0068]
The dielectric block 10 is formed using, for example, synthetic resin or optical glass such as BK7. On the other hand, the cladding layer 40 is formed in a thin film shape using a dielectric having a lower refractive index than the dielectric block 10 or a metal such as gold. The optical waveguide layer 41 is also formed into a thin film using a dielectric having a higher refractive index than that of the cladding layer 40, such as PMMA. The thickness of the cladding layer 40 is, for example, 36.5 nm when formed from a gold thin film, and the thickness of the optical waveguide layer 41 is, for example, about 700 nm when formed from PMMA.
[0069]
In the leakage mode sensor configured as described above, when the light beam 13 emitted from the laser light source 14 is incident on the cladding layer 40 through the dielectric block 10 at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle, the light beam 13 is incident on the dielectric block 10. The light having a specific wave number that is totally reflected at the interface 10b between the first and second cladding layers 40 and is incident on the optical waveguide layer 41 at a specific incident angle after passing through the cladding layer 40 propagates through the optical waveguide layer 41 in a waveguide mode. It becomes like this. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer 41, and total reflection attenuation occurs in which the intensity of light totally reflected at the interface 10b sharply decreases.
[0070]
Since the wave number of guided light in the optical waveguide layer 41 depends on the refractive index of the liquid sample 11 on the optical waveguide layer 41, the refractive index of the liquid sample 11 can be obtained by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. In addition, the characteristics of the liquid sample 11 related thereto can be analyzed. The characteristics of the liquid sample 11 can also be analyzed based on the reflected light intensity I in the vicinity of the specific incident angle and the differential value I ′ output from each differential amplifier of the differential amplifier array 18.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of an example of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a side view of an example of a surface plasmon sensor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the surface plasmon sensor.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the light beam incident angle and the detected light intensity and the relationship between the light beam incident angle and the differential value of the light intensity detection signal in the surface plasmon sensor.
FIG. 5 is a side view of a surface plasmon sensor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a block diagram showing an example of an electrical configuration of the surface plasmon sensor.
FIG. 7 is a block diagram showing an example of an electrical configuration of the surface plasmon sensor.
FIG. 8 is a side view showing an example of a leakage mode sensor of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Dielectric block
10a Sample holder for dielectric block
10b Interface between dielectric block and metal film
11 samples
12 Metal film
13 Light beam
14 Semiconductor laser, etc.
15 Optical system
16 Collimator lens
17 Photodetection means (photodiode array)
17a, 17b, 17c …… Photodiode
18 Differential amplifier array
18a, 18b, 18c ... Differential amplifier
19 Drivers
20 Signal processor
21 Display means
22a, 22b, 22c ... Sample hold circuit
23 Multiplexer
24 A / D converter
25 Drive circuit
26 Controller
30 Sensing media
31 Turntable
40 Clad layer
41 Optical waveguide layer
50 Optical filter
51 Reflective prism
52, 54 controller
53 Variable resistance array
53a, 53b, 53c ... Variable resistance

Claims (11)

A dielectric block;
A thin film layer formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
A plurality of light receiving elements arranged side by side in a predetermined direction, and a light detecting means disposed in a direction in which different light receiving elements receive light beam components totally reflected at various reflection angles at the interface;
Differentiating means for differentiating the light detection signal output from each light receiving element of the light detecting means with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged, and
On the basis of the differential value obtained by the differentiating means, a sensor using total reflection attenuation comprising a calculating means for obtaining a reflection angle at which the reflected light intensity at the interface takes a minimum value,
A sensor using total reflection attenuation, comprising signal waveform shaping means for shaping an asymmetric signal waveform based on a light beam detected by the light detection means into a substantially symmetrical waveform. A dielectric block;
A metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the metal film;
A plurality of light receiving elements arranged side by side in a predetermined direction, and a light detecting means disposed in a direction in which different light receiving elements receive light beam components totally reflected at various reflection angles at the interface;
Differentiating means for differentiating the light detection signal output from each light receiving element of the light detecting means with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged, and
Based on the differential value by the differentiating means, in the sensor using the total reflection attenuation, comprising a calculating means for obtaining a reflection angle at which the reflected light intensity at the interface takes a minimum value along with the surface plasmon resonance,
A sensor using total reflection attenuation, comprising signal waveform shaping means for shaping an asymmetric signal waveform based on a light beam detected by the light detection means into a substantially symmetrical waveform. A dielectric block;
A clad layer formed on one surface of the dielectric block;
An optical waveguide layer formed on the cladding layer and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that makes the light beam incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the cladding layer;
A plurality of light receiving elements arranged side by side in a predetermined direction, and a light detecting means disposed in a direction in which different light receiving elements receive light beam components totally reflected at various reflection angles at the interface;
Differentiating means for differentiating the light detection signal output from each light receiving element of the light detecting means with respect to the direction in which the light receiving elements are arranged, and
Based on the differential value by the differentiating means, a total reflection attenuation comprising: an arithmetic means for obtaining a reflection angle at which the reflected light intensity at the interface takes a minimum value with excitation of the waveguide mode in the optical waveguide layer. In the sensor used,
A sensor using total reflection attenuation, comprising signal waveform shaping means for shaping an asymmetric signal waveform based on a light beam detected by the light detection means into a substantially symmetrical waveform. The signal waveform shaping means is an optical member that is provided between the dielectric block and the light detection means and reduces the intensity of the light beam reflected at an angle on the higher intensity side of the light beam. The sensor using the total reflection attenuation according to any one of claims 1 to 3. 5. The sensor using total reflection attenuation according to claim 4, wherein the optical member is a reflecting prism having a reflecting surface with a small incident angle with respect to a light beam reflected at an angle on the higher intensity side. The sensor using total reflection attenuation according to claim 5, wherein the reflecting surface is an aspherical surface. 5. The sensor using total reflection attenuation according to claim 4, wherein the optical member is an optical filter having a reduced transmittance with respect to a light beam reflected at an angle on the higher intensity side. 4. The signal waveform shaping means comprises shaping processing means for shaping a signal waveform based on a waveform of a signal based on a light beam detected by the light detection means. A sensor using the total reflection attenuation according to claim 1. 9. The sensor using total reflection attenuation according to claim 8, wherein the shaping processing means is a resistor having a different resistance value connected to each light receiving element. 9. The sensor using total reflection attenuation according to claim 8, wherein the shaping processing means is an amplifier having a different amplification factor connected to each of the light receiving elements. 9. The total reflection attenuation according to claim 8, wherein the shaping processing means is software that performs processing for shaping a signal waveform based on a waveform of a signal based on a light beam detected by the light detection means. Sensor used.

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